基于柔性补偿的行星表面采样机械臂控制策略研究.pdf

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1、第53卷第11期机械工程学报Vol.53No.112017年6月JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGJun.2017DOI：10.3901/JME.2017.11.097基于柔性补偿的行星表面采样机械臂*控制策略研究唐玲梁常春王耀兵姜水清袁宝峰(北京空间飞行器总体设计部空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室北京100094)摘要：为了适应行星表面较大范围采样及系统减重需求，行星表面采样机械臂通常由细长的臂杆和多个旋转关节串联组成，柔性特征明显。针对4自由度行星采样机械臂，提出基于柔性补偿的控制

2、策略，以提高机械臂的运动精度。基于混合坐标法建立考虑关节和臂杆弯曲变形的机械臂运动学模型，计算机械臂末端柔性偏差；设计机械臂末端笛卡尔空间加速度连续平滑的变加速-匀速-变减速的运动路径，并在期望路径中实时补偿柔性偏差项；基于simulationX软件，建立精细的动力学和关节控制器模型，对机械臂的典型任务进行仿真，验证控制算法的有效性。结果表明，采用柔性补偿的控制策略能够明显提高机械臂的动态跟踪精度及末端定位精度。关键词：柔性；行星表面；机械臂；控制中图分类号：TP24ResearchonFlexibleCompensati

3、onControlStrategyforPlanetarySurfaceSamplingManipulatorTANGLingLIANGChangchunWANGYaobingJIANGShuiqingYUANBaofeng(BeijingKeyLaboratoryofIntelligentSpaceRoboticSystemsTechnologyandApplications,BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering,Beijing100094)Abstract：Thef

4、lexiblefeatureofplanetarysurfacesamplingmanipulatorisobvious,sinceitusuallyconsistsofseveralslenderarmsandrotaryjointsinseries,tomeettherequirementsoflargeareasamplingandsystemweightoptimization.Acontrolstrategybasedonflexiblecompensationisproposedforthe4-DOFplane

5、tarysurfacesamplingmanipulator,toimproveitsmotionprecision.Basedonhybridcoordinatemethodandconsideringbendingdeformationofjointsandarms,thekinematicsmodelofmanipulatorisestablishedforcalculatingflexibledeformationinrealtime.Thevariableacceleration–uniformmotion–de

6、celerationtrajectoryofmanipulatortipinCartesianspace,whiletheaccelerationisconsistentandsmooth,isplannedwithflexibledeformationcompensation.Modelsofdynamicsandjointcontrollerareestablished,toverifytheeffectivenessofthecontrolstrategywiththesimulationoftypicaltasks

7、ofmanipulator.Theresultsshowthatthecontrolstrategycanobviouslyimprovesthedynamictracingandtiplocationprecisionofmanipulator.Keywords：flexibility；planetarysurface；manipulator；control关节及末端采样器串联组成的机械臂。此种机械臂10前言具有重量轻、驱动力小、耗能低、速度快等诸多优点。但因为机械臂柔性较大，尤其是当末端采样器无人自动行星样品采集与返回

8、任务通常要求较重或抓取样品容器时，机械臂在运动时会产生振表层采样装置既能适应较大的采样范围，又要实现动，且在行星重力作用下，机械臂末端位置会产生[2]采集样品的精确转移，且整个装置有严格的重量限较大的柔性偏差。因此如何减小振动和提高末端[1]制，这使得采样装置往往采用由细长形状的臂杆、跟踪与定位精度成为